LED驅(qū)動(dòng)器IC需求的大幅增長

在種類繁多的照明應(yīng)用中，LED 的采用勢頭持續(xù)強(qiáng)勁。這種始終如一的強(qiáng)勁勢頭意味著，提供 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的模擬 IC 供應(yīng)商會(huì)有良好的業(yè)務(wù)勢頭。在過去一年中，高亮度 （HB） LED 達(dá)到了一些關(guān)鍵的性能標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致對 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 需求的大幅增長，這類 IC 是在所有最終市場應(yīng)用中為 LED 供電所必需的。

對 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的需求目前處于后萌芽階段，通過研究幾種將使該需求進(jìn)入加速增長階段的促進(jìn)因素，我們發(fā)現(xiàn)，LED 顯然將迅速成為主流照明源。一些主要的驅(qū)動(dòng)因素是：汽車照明、大型平板高清 （HD） LCD電視機(jī)、手持式設(shè)備、LED 光輸出、LED 的成本因素、以及 LED 取代白熾燈這種潛在用途。

奧迪公司是第一家在多種車型中使用 LED 前燈的汽車制造商，早在 2008 年就開始使用了。奧迪的汽車照明系統(tǒng)包含兩個(gè)起主要作用的近光前燈，該系統(tǒng)由兩個(gè) LED 陣列組成，每個(gè) LED 陣列都含有 4 個(gè)有源組件。另外 3 個(gè) LED 陣列 （每個(gè)含有兩個(gè) LED IC） 位于光學(xué)透鏡的后面，它們的任務(wù)是控制明 / 暗分界線和前燈照明范圍。就遠(yuǎn)光前燈而言，4 個(gè) LED 陣列位于與近光陣列相鄰的地方?？拷彰飨到y(tǒng)的下邊緣，一排 24 個(gè) LED 組成白天行車燈 （DRL）。不過，正是這些白天行車燈使奧迪汽車外觀新穎和令人興奮，奧迪汽車的外觀非常受購車一族的歡迎。不久以后，很多其他制造商都跟風(fēng)而上，奔馳 （Mercedes）、捷豹 （Jaguar）、雷克薩斯 （Lexus） 和保時(shí)捷 （Porsche） 等等，也都提供類似的白天行車燈了。

而 LED 前燈系統(tǒng)在采用上卻落后了，這主要是成本原因。不過，2011 年出現(xiàn)的一些早期跡象似乎表明這種狀況將開始發(fā)生變化，因?yàn)槭聦?shí)上，LED 允許設(shè)計(jì)時(shí)更加靈活地進(jìn)行選擇，同時(shí) LED 效率的提高使成本 / 性能得到了更有利的平衡。因此，現(xiàn)在我們看到，凱迪拉克 （Cadillac）、豐田 （Toyota） 和雷克薩斯 （Lexus） 的各種車型都將 LED 前燈作為可選配件提供。例如，凱迪拉克凱雷德 （Cadillac Escalade）、雷克薩斯 LS600H （Lexus LS600H） 和豐田普銳斯 （Toyota Prius），都可以選配 LED 前燈。

LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 用來驅(qū)動(dòng)給高清平板電視機(jī)提供背光照明的 LED 時(shí)有很多優(yōu)勢。這些 IC 使 LED 驅(qū)動(dòng)器電路解決方案能做到纖巧、緊湊和扁平。這些 IC 還以高開關(guān)頻率工作，以在基于充電泵的拓?fù)渲袦p小輸出電容器的電容值、尺寸和成本。在基于電感器的 DC/DC 開關(guān)拓?fù)渲校@種高開關(guān)頻率減小了電感器和輸出電容器的值、尺寸和成本。此外，在有些情況下，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 可能包括內(nèi)置的肖特基二極管和升壓二極管，因此減少了外部組件的數(shù)量。這反過來又減小了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、解決方案尺寸和成本。

從運(yùn)動(dòng)圖像模糊到彩色再現(xiàn)，LCD 高清電視機(jī) （HDTV） 有各種缺點(diǎn)。也就是說，就目前一代 LCD HDTV 而言，無法實(shí)現(xiàn)真正的黑色，而且所有顏色的動(dòng)態(tài)范圍都較低。傳統(tǒng)的HDTV 是用 CCFL 管進(jìn)行背光照明的，僅能提供 450 至 650 cd/m2 的對比度。這些HDTV 的主要問題是，CCFL 背光照明不能徹底關(guān)斷或局部地調(diào)光。

相反，如果采用高亮度 LED 背光照明，那么背光照明“群”中的 LED 陣列 （就 46 英寸顯示器而言，多達(dá) 1，600 個(gè) LED） 可以局部調(diào)光或關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)比 CCFL 設(shè)計(jì)幾乎高一個(gè)數(shù)位級的對比度 （》4，000cd/m2）。此外，通過調(diào)整背光照明 LED 群的亮度，可以再現(xiàn)更多中間色調(diào)的顏色，從而使畫面更加生動(dòng)。另一個(gè)好處是，能徹底地局部關(guān)斷 LED， 從而減輕了運(yùn)動(dòng)圖像模糊問題。通過在幀之間徹底關(guān)斷 LED，幾乎消除了與快速運(yùn)動(dòng)物體有關(guān)的圖像模糊問題。此外，在解決 CCFL 背光照明 LCD 電視機(jī)平常遇到快速運(yùn)動(dòng)圖像模糊問題時(shí)，LED 非常高的響應(yīng)速度就至關(guān)重要。

今天很多移動(dòng)電話有內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)功能，能拍攝高分辨率靜止圖像和視頻。相機(jī)性能的提高也導(dǎo)致需要大功率白光光源，以在室內(nèi)或在昏暗的環(huán)境光線條件下使用相機(jī)。在配備相機(jī)的蜂窩電話中，白光 LED 已經(jīng)成為主要的光源，因?yàn)榘坠?LED 擁有新式蜂窩電話設(shè)計(jì)師所希望的各種特點(diǎn)：小尺寸、大的光輸出、能提供“閃光燈”和連續(xù)“視頻”物體照明。目前已經(jīng)開發(fā)出專門用作集成式相機(jī)光源的大輸出功率 LED。

類似地，幾乎任何電池供電的消費(fèi)類手持式設(shè)備都用彩色有源矩陣 LCD 來顯示用戶所需的不同類型信息和數(shù)據(jù)。然而，制造商面臨的挑戰(zhàn)是，確保用戶在任何類型的環(huán)境中都能從這些顯示屏上讀取信息。為了達(dá)到這個(gè)目的，制造商必須提供具恰當(dāng)背光照明量的彩色 LCD。這種背光照明通常由白光 LED 提供，視顯示屏尺寸的不同而有所不同，白光 LED 采用了各種不同的組合形式。這反過來又導(dǎo)致了對緊湊、高效率和低噪聲 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 的需求，因?yàn)樾枰@類驅(qū)動(dòng)器 IC 為白光 LED 供電。

促進(jìn) LED 市場增長的重要因素

大功率或高亮度 LED 的光輸出已經(jīng)超過每 Watt 100 流明這個(gè)關(guān)鍵的里程碑，甚至有些制造商自稱，在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)達(dá)到了每 Watt 200 流明。這意味著，就能效而言，LED 現(xiàn)在已經(jīng)超過了 CFL （每 Watt 80 流明）。然而，進(jìn)一步的預(yù)測顯示，到 2012 年，LED 將達(dá)到每 Watt 150 流明的光輸出。另一個(gè)優(yōu)勢是 LED 的長壽命。視計(jì)算方法的不同而不同，白光 LED 燈的壽命至少為 1 萬小時(shí)，有些甚至聲稱達(dá)到了 5 萬小時(shí)。此外，LED 是“綠色”產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈儾缓魏斡泻Σ牧稀?/p>

這些進(jìn)步具有重要意義，因?yàn)槊绹茉床抗?，在美國所發(fā)電量中，照明消耗占 22%。廣泛使用 LED 照明可能使照明耗電量減半。從另一個(gè)角度來理解，到 2027 年，LED 照明有可能使每年能源使用量減少相當(dāng)于 5 億桶石油，同時(shí)還伴隨著二氧化碳排放量的減少。

LED 照明的成本已經(jīng)非常迅速地下降了。單個(gè)白光 LED （幾個(gè)白光 LED 組成一個(gè) LED 燈，LED 占 LED 燈的大部分成本） 的價(jià)格幾年前大約為 5 美元，過去一年中，已經(jīng)降至不到 1 美元了。很多 LED 行業(yè)的分析師都預(yù)測，在未來一年內(nèi)， LED 燈的價(jià)格將達(dá)到消費(fèi)者可以接受的程度，LED 燈將取代白熾燈。有些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計(jì)出了能為 LED 燈供電的發(fā)光芯片，能使 LED 燈產(chǎn)生可與家庭中極其普遍地使用的 75W 白熾燈相比的光輸出。這種類型的 LED 芯片為了能提供這樣的光輸出量，通常需要 12W 至 15W 的功率。

高亮度 LED 給驅(qū)動(dòng)器 IC 帶來了怎樣的挑戰(zhàn)？

今天，LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 必須具有的一個(gè)關(guān)鍵性能特點(diǎn)是能給 LED 充分調(diào)光。既然 LED 是用恒定電流驅(qū)動(dòng)的，其中 DC 電流值與 LED 的亮度成正比，那么要改變 LED 的亮度，就有兩種通過控制 LED 電流來調(diào)光的方法。第一種方法是模擬調(diào)光，在這種方法中，通過降低恒定 LED 電流值，成比例地降低 LED 的 DC 電流值。降低 LED 電流可能導(dǎo)致 LED 顏色的改變或不準(zhǔn)確的 LED 電流控制。第二種方法是數(shù)字或脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 調(diào)光。PWM 調(diào)光以等于或高于 100Hz 的頻率通斷 LED，人眼對這種頻率的通斷察覺不到。PWM 調(diào)光的占空比與 LED 亮度成正比，同時(shí)，在接通時(shí) LED 電流保持同一個(gè)值不變 （如 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 所設(shè)定的那樣），從而在高調(diào)光比時(shí)保持 LED 顏色不變。在某些應(yīng)用中，使用這種 PWM 調(diào)光方法能提供高達(dá) 3000:1 的調(diào)光比。

凌力爾特公司的 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC采用既滿足輸入電壓范圍要求、又滿足所需輸出電壓和電流要求的轉(zhuǎn)換拓?fù)洌绕湓隍?qū)動(dòng)高亮度 LED 的情況下，能為很多不同類型的 LED 配置提供充足的電流和電壓。因此，凌力爾特公司的高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 一般具有以下特點(diǎn)：

（A）寬輸入電壓范圍

（B）寬輸出電壓范圍

（C）高效率轉(zhuǎn)換

（D）嚴(yán)格調(diào)節(jié)的 LED 電流匹配

（E）低噪聲、恒定頻率工作

（F）獨(dú)立的電流和調(diào)光控制

（G）寬調(diào)光比范圍

（H）小型緊湊的占板面積，所需外部組件最少

凌力爾特公司擁有種類繁多的產(chǎn)品以滿足 LED 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)需求，其中的兩個(gè)例子是 LT3754 和 LT3956。

當(dāng)白光 LED 用于大型平板顯示器的背光照明時(shí)，凌力爾特公司推出的新產(chǎn)品 LT3754能解決與驅(qū)動(dòng)白光 LED 有關(guān)的設(shè)計(jì)問題。LT3754 是一款創(chuàng)新性 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，可用于配備了 26 英寸或更大尺寸平板顯示屏高清電視機(jī)。這款升壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器有 16 個(gè)單獨(dú)的通道，每個(gè)通道具有約 3.2V 的 Vf，能驅(qū)動(dòng)由多達(dá)一個(gè)由 15 個(gè) 50mA LED 組成的 LED 串。因此，每個(gè) LT3754 能驅(qū)動(dòng)多達(dá) 240 個(gè) 50mA 的白光 LED。結(jié)果，一個(gè) 26 英寸的 LCD 高清電視機(jī)也許僅需要一個(gè) LT3754，就能提供必需的背光照明。所有 16 個(gè)通道都通過單個(gè) PWM 輸入控制，能提供高達(dá) 3，000:1 的 PWM 調(diào)光比。

LT3754 使用一個(gè)小型電感器和甚至更纖巧的陶瓷輸出電容器。惟一需要的其他組件是單個(gè)輸入電容器、MOSFET 和一個(gè)電流設(shè)定電阻器，如圖 1 所示。每個(gè)通道都跟隨一個(gè)可編程設(shè)定的主電流，以允許每串 LED 有 10mA 至 50mA 的 LED 電流。這些通道還可以并聯(lián)，以提供更大的 LED 電流。輸出電壓適應(yīng) LED Vf 的變化，以實(shí)現(xiàn)最佳效率，開路 LED 故障不影響所連接的其他 LED 串的工作。LT3754 采用緊湊型 32 引腳、5mm x 5mm QFN 封裝。

圖 1：38W LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 16 串每串有 15 個(gè) 50mA LED 的 LED 串

16 STRINGS 50mA UP TO 45V：16 串， 50mA，高達(dá) 45V

現(xiàn)在，用一個(gè)由 18 個(gè)串聯(lián) LED 組成的陣列可以配置一個(gè) 25W 的白光 LED 前燈，流過 LED 的 350mA 電流可產(chǎn)生需要的光輸出。不過，一個(gè)主要的障礙是，如何高效率、簡單地驅(qū)動(dòng)這樣一個(gè)配置。一個(gè)可能的解決方案是，使用凌力爾特公司最近推出的 LT3956 單片 LED 驅(qū)動(dòng)器。LT3956 是一款 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為作為恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)器工作而設(shè)計(jì)。它非常適用于驅(qū)動(dòng)大電流、高亮度 LED （參見圖 2）。

圖 2：效率為 94% 的 25W 白光 LED 前燈驅(qū)動(dòng)器

TRANSIENT：瞬態(tài)

LED STRING：LED 串

LT3956 包括一個(gè)額定值為 84V/3.3A 的內(nèi)部低壓側(cè) N 溝道功率 MOSFET，用內(nèi)部調(diào)節(jié)的 7.15V 電源驅(qū)動(dòng)。其固定頻率、電流模式架構(gòu)可在寬的電源和輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電壓反饋 （FB） 引腳用作幾種 LED 保護(hù)功能的輸入，還使該轉(zhuǎn)換器能作為恒定電壓源工作。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在 100kHz 至 1MHz 范圍內(nèi)設(shè)定頻率，以優(yōu)化效率、性能或外部組件尺寸。

LT3956 在 LED 串的高壓側(cè)檢測輸出電流。就驅(qū)動(dòng) LED 而言，高壓側(cè)檢測是最靈活的方法，允許升壓、降壓或降壓-升壓模式配置。PWM 輸入提供高達(dá) 3，000:1 的 LED 調(diào)光比，而 CTRL 輸入提供額外的模擬調(diào)光功能。

結(jié)論

用 LED 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的任何 LED 都必須能以最低功率提供必需的光輸出量，這樣才不會(huì)在最終系統(tǒng)中引起顯著的熱量設(shè)計(jì)限制。幸運(yùn)的是，就照明設(shè)計(jì)師而言，既存在高效率 LED，又存在高性能 LED 驅(qū)動(dòng)器，可提供他們最需要的特性：以適中的功率和情合理的成本下提供大量光輸出。